Интеллектуальные мембраны с памятью для умных фильтров нового поколения

Исследователи из Национального института графена (NGI) создали «интеллектуальные» мембраны, чья «память» может использоваться в таких областях, как умные технологии разделения, лечение ран, доставка лекарств, сенсоры и устройства памяти.

«История разработки мембран охватывает более 100 лет и привела к революции в промышленных процессах разделения», — говорит профессор Рахул Равендран Наир, руководитель исследования. — В последние годы предпринимались усилия по созданию мембран, имитирующих биологические структуры, в частности их «интеллектуальные» характеристики».

В исследовании, опубликованном в Nature, учёные объясняют, как они разработали интеллектуальные мембраны, которые могут изменять свои свойства в зависимости от окружающей среды и запоминать, насколько проницаемыми они были ранее. Это означает, что мембраны могут адаптироваться к разным условиям и, что важнее, запоминать своё состояние — особенность, которую можно использовать во множестве приложений.

Наиболее распространённым выражением памяти или интеллекта в материале является явление гистерезиса. Оно относится к ситуации, когда текущие свойства системы зависят от её предыдущего состояния. Гистерезис обычно наблюдается в магнитных материалах, но редко встречается при молекулярном транспорте через искусственные мембраны.

«Разработка простых и эффективных решений для чистой воды — одна из наших величайших глобальных проблем. Это исследование показывает, что фундаментальные представления на молекулярном уровне и наноматериалы предлагают большой потенциал для разработки "умных" мембран для очистки воды и других применений», — сказал профессор Ангелос Михаилидес из Кембриджского университета.

В этой работе команда из Манчестера в сотрудничестве с учёными из Кембриджского университета, Сямыньского университета, Даляньского технологического университета, Йоркского университета и Национального университета Сингапура разработала интеллектуальные мембраны на основе MoS₂ (двумерного материала — дисульфида молибдена), которые могут запоминать свою предыдущую проницаемость. Исследователи показали, что проникновение ионов и воды в мембраны можно регулировать, контролируя внешний pH.

Мембраны имитируют функцию биологических клеточных мембран и демонстрируют гистерезисный транспорт ионов и воды в ответ на pH, то есть запоминают, какому pH они подвергались ранее. «Эффекты памяти, которые мы наблюдали, уникальны для этих мембран и никогда ранее не наблюдались ни в каких неорганических мембранах», — сказал соавтор исследования доктор Амритруп Ачари.

Исследователи продемонстрировали, что этот биомиметический эффект можно использовать для улучшения автономного сенсорного обнаружения инфекции в ранах. Для этого они поместили мембраны в искусственный раневой экссудат, имитирующий жидкость, выделяемую ранами, и подвергли их изменениям pH. Мембраны позволяли проникать экссудату только при уровнях pH, соответствующих инфицированной ране, что позволяет использовать их в качестве сенсоров для обнаружения инфекции.

По словам учёных, новые мембраны также могут использоваться в множестве других pH-зависимых приложений — от нанофильтрации до имитации функции нейронных клеток.